俞 政

(湘潭市勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年來(lái),隨著城市化進(jìn)程加快,房地產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,房屋住宅區(qū)建設(shè)日益增多,如何高效進(jìn)行房屋住宅區(qū)管理則是房管部門(mén)一項(xiàng)重要工作[1]。目前房管部門(mén)采用傳統(tǒng)二維房屋住宅區(qū)管理平臺(tái),能夠較好地管理房屋住宅區(qū)的相關(guān)信息,但隨著房屋結(jié)構(gòu)、形狀和空間分布也日益復(fù)雜、房屋管理不斷向立體化和規(guī)?；l(fā)展,傳統(tǒng)二維房屋住宅區(qū)管理平臺(tái)由于缺少維度信息,無(wú)法真實(shí)反映房屋的全部信息[2],而三維地理信息系統(tǒng)(three-Dimensional Geographic Information System,3DGIS)可以為房屋住宅提供全要素信息,利用城市三維模型進(jìn)行房屋住宅管理,成為應(yīng)用熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)上利用地形圖或者點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模,建設(shè)的模型雖然精細(xì)和美觀,但是存在建設(shè)和更新周期長(zhǎng)、模型不真實(shí)、費(fèi)用高和模型單體化困難等缺點(diǎn)[3],因此,三維數(shù)據(jù)在房屋住宅管理中應(yīng)用程度一直不高?，F(xiàn)在隨著傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展,它顛覆了傳統(tǒng)正射影像只能垂直拍攝的局限,可以從四個(gè)不同角度獲取地物影像,能夠快速、大范圍、高精度地進(jìn)行城市三維模型建模,獲得能夠真實(shí)反映地物、建模自動(dòng)化程度高、周期較短的城市三維實(shí)景模型[4]。論文結(jié)合實(shí)際情況,旨在解決如下問(wèn)題:一是房屋住宅二三維一體化管理;二是輔助領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行科學(xué)決策分析;三是輔助房管部門(mén)相關(guān)科室業(yè)務(wù)管理,如房屋權(quán)屬管理、老舊小區(qū)綜合治理以及房屋住宅安全管理等;四是房管部門(mén)其他信息平臺(tái)一體化集成。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

城市三維房屋住宅管理平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱平臺(tái))采用CityMaker作為三維開(kāi)發(fā)平臺(tái),構(gòu)建一個(gè)由空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)集成,利用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行三維建模,實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)三維空間中,對(duì)影像數(shù)據(jù)、地形圖數(shù)據(jù)以及房屋住宅數(shù)據(jù)等融合疊加,能夠快速瀏覽大面積的城市三維實(shí)景模型、數(shù)字高程模型等[5],并能夠以城市三維模型的方式形象、直觀地展示房屋住宅的各種空間形狀和空間關(guān)系。平臺(tái)融合了現(xiàn)狀地形、地名地址、道路、房屋住宅專題數(shù)據(jù)等,形成了一個(gè)基于三維空間、虛擬現(xiàn)實(shí)的城市三維房屋住宅管理平臺(tái),在平臺(tái)中,可以實(shí)現(xiàn)查看房屋小區(qū)、棟、層的權(quán)屬信息,老舊小區(qū)改造前后的效果以及房屋征拆遷場(chǎng)景等。

1.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用瀏覽器/服務(wù)器模式(Browser/Server,B/S)和服務(wù)器/客戶機(jī)(Client/Server,C/S)混合搭建的模式,充分利用了B/S模式下的分布式、易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)以及C/S模式下數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[6]。這種模式實(shí)現(xiàn)了城市三維模型和其他信息資源存儲(chǔ)于服務(wù)器中,并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù),每個(gè)客戶端可以根據(jù)自身需求進(jìn)行調(diào)用。平臺(tái)運(yùn)行時(shí),利用客戶端程序存儲(chǔ)服務(wù)器中的數(shù)據(jù),在服務(wù)器中集中進(jìn)行運(yùn)算,減少數(shù)據(jù)傳輸量,增強(qiáng)客戶端機(jī)器的數(shù)據(jù)表述能力,提高數(shù)據(jù)的處理效率。

1.2 平臺(tái)總體框架

平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)包括四層:基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。平臺(tái)三維數(shù)據(jù)的全要素和全紋理的優(yōu)勢(shì)與房屋住宅的專題數(shù)據(jù)融合,大大提升城市房屋住宅的管理能力,平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

注：LOD為多細(xì)節(jié)層次

基礎(chǔ)設(shè)施層包括支持城市大面積城市三維實(shí)景建模的航空攝影及集群計(jì)算,軟件環(huán)境包括專業(yè)軟件和系統(tǒng)軟件,基礎(chǔ)硬件環(huán)境包括安全環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和存儲(chǔ)環(huán)境等[7]。

數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)入庫(kù),數(shù)據(jù)主要通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施層航飛獲得,房管部門(mén)自身也有部分?jǐn)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理一方面是對(duì)高清的航片進(jìn)行加工和建模,另一方面是對(duì)房屋住宅數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理。數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市三維模型和房屋住宅數(shù)據(jù)等管理,如基礎(chǔ)地理信息管理、數(shù)據(jù)入庫(kù)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)與服務(wù)等。數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)是對(duì)數(shù)字高程數(shù)據(jù)、城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)。

服務(wù)層包括二維服務(wù)和三維服務(wù)。二維服務(wù)包括平臺(tái)傳統(tǒng)的瓦片服務(wù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)、矢量數(shù)據(jù)服務(wù)等;三維服務(wù)利用城市三維實(shí)景模型進(jìn)行三維實(shí)景模型展示服務(wù)、房屋專題數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)服務(wù)、房屋業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)服務(wù)。

應(yīng)用層是平臺(tái)的核心功能,包括三維實(shí)景模型展示管理、房屋住宅權(quán)屬管理、房屋老舊小區(qū)綜合整治和房屋安全管理等。

2 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的城市三維實(shí)景模型構(gòu)建

目前城市三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)建模主流的方式有三種:一是傾斜攝影人工干預(yù)建模的方法;二是傾斜攝影+機(jī)載激光掃描進(jìn)行三維建模的方法;三是利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化三維建模的方法[8]。本文根據(jù)實(shí)際需求,采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù),利用Smart3D軟件進(jìn)行自動(dòng)化三維建模,城市三維建模流程圖如圖2所示。其核心工作包括兩部分:一部分是無(wú)人機(jī)傾斜攝影,這里主要工作有無(wú)人機(jī)航飛準(zhǔn)備工作、無(wú)人機(jī)航飛、像控點(diǎn)測(cè)量、傾斜攝影影像獲取和質(zhì)檢等;另一方面是利用Smart3D軟件,對(duì)傾斜攝影影像成果進(jìn)行自動(dòng)化三維建模,并對(duì)自動(dòng)化三維建模的數(shù)據(jù)進(jìn)行修飾和質(zhì)量檢查,最終獲得城市三維實(shí)景模型成果數(shù)據(jù)。

注：IMU為慣性測(cè)量單元，GPS為全球定位系統(tǒng)，TIN為不規(guī)則三角網(wǎng)

2.2 基于二三維一體化的房屋住宅整合關(guān)聯(lián)入庫(kù)

房屋住宅數(shù)據(jù)整合關(guān)聯(lián)入庫(kù)步驟主要包括:模型單體化處理、房屋住宅數(shù)據(jù)處理、二三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)質(zhì)檢入庫(kù)。具體流程如下：

(1)模型單體化處理,城市三維實(shí)景模型成果是成片的,無(wú)法單獨(dú)選擇某個(gè)房屋建筑進(jìn)行屬性賦值和屬性查詢等功能,因此需對(duì)城市三維實(shí)景模型單體化。本文采用的是動(dòng)態(tài)單體化法,它是直接將二維矢量底面通過(guò)空間關(guān)系套合到模型表面,然后利用建筑物的高度自動(dòng)生成體框模型,并掛接對(duì)應(yīng)的房屋住宅數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)二維和三維的融合。

(2)房屋住宅處理,首先對(duì)房屋住宅數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理[9],如統(tǒng)一空間基準(zhǔn)、規(guī)范數(shù)據(jù)類型等;其次是房屋住宅數(shù)據(jù)完善,如房屋住宅空間數(shù)據(jù)通過(guò)外業(yè)測(cè)繪和核實(shí)對(duì)遺漏和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行完善,房屋權(quán)屬數(shù)據(jù)通過(guò)手動(dòng)和掛接錄入兩種方式補(bǔ)充完善;最后是標(biāo)準(zhǔn)化,包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩方面規(guī)范化處理,如:數(shù)據(jù)沖突和錯(cuò)誤檢查等。

(3)二三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián),包括兩方面工作,一方面是二維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián),另一方面是二維數(shù)據(jù)與城市三維實(shí)景模型關(guān)聯(lián)。

(4)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)檢,確保數(shù)據(jù)符合入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn);最后對(duì)房屋住宅數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫(kù)。

數(shù)據(jù)處理入庫(kù)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理入庫(kù)流程示意圖

2.3 基于多層次動(dòng)態(tài)海量城市三維實(shí)景模型高效加載

城市三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)量大,三維模型數(shù)據(jù)加載和傳輸時(shí),需要大量的寬帶資源且傳輸效率較低,展示效果存在卡頓和顯示不流暢等問(wèn)題。為解決此問(wèn)題,文本采用多層次城市三維實(shí)景模型動(dòng)態(tài)加載技術(shù),利用多細(xì)節(jié)層次技術(shù)(Levels of Detail,LOD)和基于二次誤差測(cè)度(Quadric Error Metric,QEM)算法[10],對(duì)城市三維實(shí)景模型數(shù)據(jù),根據(jù)包圍盒來(lái)計(jì)算模型對(duì)象大小尺度和最大可視距離,實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)按照精細(xì)程度分類進(jìn)行多級(jí)壓縮處理。具體流程如圖4所示。

圖4 城市三維實(shí)景模型高效加載流程示意圖

2.4 基于房屋住宅管理的信息共享安全機(jī)制

根據(jù)房管不同部門(mén)的職責(zé),分配不同的權(quán)限,利用集中認(rèn)證服務(wù)(Central Authentication Service,CAS)、對(duì)稱加密算法(Des Symmetric Encryption,DES)以及角色訪問(wèn)控制(Role-Based Access Control,RBAC)實(shí)現(xiàn)了房屋住宅管理的有效控制。平臺(tái)利用CAS功能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的統(tǒng)一單點(diǎn)登錄,實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。利用DES功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向加密。利用RBAC功能,實(shí)現(xiàn)權(quán)限與角色的關(guān)聯(lián),平臺(tái)通過(guò)運(yùn)維管理為每個(gè)用戶提供不同的角色,以滿足其功能需求。

圖5 CAS實(shí)現(xiàn)流程示意圖

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)基于面向服務(wù)的架構(gòu)(Service-Oriented Architecture,SOA),在CityMaker基礎(chǔ)平臺(tái)基礎(chǔ)上,以VS 2010為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,以C#語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,進(jìn)行平臺(tái)搭建。平臺(tái)包括四大核心功能:城市三維實(shí)景模型的展示、房屋住宅權(quán)屬管理、房屋老舊小區(qū)綜合治理和房屋安全管理。

3.1 城市三維實(shí)景數(shù)據(jù)展示

平臺(tái)提供用戶三種城市三維實(shí)景展示的途徑,主要包括鼠標(biāo)和鍵盤(pán)瀏覽三維場(chǎng)景、特定場(chǎng)景制作和動(dòng)畫(huà)導(dǎo)航[9]。鼠標(biāo)和鍵盤(pán)瀏覽三維場(chǎng)景是通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)自定義視點(diǎn)位置、方向、高度和俯仰角大小進(jìn)行三維場(chǎng)景展示,如前進(jìn)、后退、左移、右移、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等。特定場(chǎng)景制作是用戶快速定制某一特定場(chǎng)景以組的形式收藏起來(lái),通過(guò)雙擊該特定場(chǎng)景,視角會(huì)跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置,場(chǎng)景自動(dòng)顯示視圖。動(dòng)畫(huà)導(dǎo)航是平臺(tái)將同組的場(chǎng)景視圖串聯(lián)成動(dòng)畫(huà)進(jìn)行播放和錄制,并支持avi格式輸出。

3.2 房屋住宅權(quán)屬管理

房屋住宅權(quán)屬管理實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)屬信息的查詢、統(tǒng)計(jì)和分析功能,并以圖和表等多種方式展示。由于房屋住宅的權(quán)屬信息與三維實(shí)景模型掛接,點(diǎn)擊三維實(shí)景模型可以清楚地展示該樓房的編號(hào)、產(chǎn)權(quán)人、小區(qū)名、建成時(shí)間、建筑面積、房屋平面圖以及相關(guān)附件信息。權(quán)屬信息統(tǒng)計(jì)結(jié)果與三維實(shí)景模型關(guān)聯(lián),點(diǎn)擊統(tǒng)計(jì)表中的區(qū)域名稱,統(tǒng)計(jì)表將自動(dòng)切換成該區(qū)域的統(tǒng)計(jì)信息,三維實(shí)景模型也隨即定位至該區(qū)域,從而方便管理者從不同層面全方位掌握房屋住宅區(qū)的信息。城市三維房屋住宅管理平臺(tái)界面如圖6所示。

圖6 城市三維房屋住宅管理平臺(tái)界面示意圖

3.3 房屋住宅老舊小區(qū)綜合治理

為了優(yōu)化城市的服務(wù)設(shè)施,改善人民的生活環(huán)境,開(kāi)展房屋住宅老舊小區(qū)綜合治理工作。原先老舊小區(qū)綜合治理采用電子文件的方式進(jìn)行管理,沒(méi)有進(jìn)行空間化,無(wú)法直觀地對(duì)老舊小區(qū)項(xiàng)目進(jìn)行展示。該平臺(tái)上線之后,通過(guò)房屋住宅老舊小區(qū)綜合治理功能模塊,對(duì)老舊小區(qū)綜合治理項(xiàng)目空間化,并上傳項(xiàng)目的各類圖件、文本和照片,最后與三維實(shí)景模型進(jìn)行掛接,點(diǎn)選老舊小區(qū)綜合治理項(xiàng)目可以直觀查看項(xiàng)目的所有信息。平臺(tái)還增加過(guò)去的三維數(shù)據(jù),進(jìn)行三維實(shí)景數(shù)據(jù)的多屏對(duì)比。房屋住宅老舊小區(qū)綜合治理多屏對(duì)比如圖7所示。通過(guò)2014和2019年城市三維實(shí)景模型數(shù)據(jù),可以清楚看到綜合治理后的小區(qū)外墻加裝了電梯、道路兩側(cè)增加了停車(chē)位,商戶的商家牌匾得到了統(tǒng)一“升級(jí)”,小區(qū)內(nèi)的綠色也進(jìn)行了治理。

圖7 房屋住宅老舊小區(qū)綜合治理多屏對(duì)比示意圖

3.4 房屋安全管理

房屋安全管理實(shí)現(xiàn)了房屋危房管理、房屋安全預(yù)警管理以及房屋安全綜合評(píng)價(jià)。房屋危房管理通過(guò)業(yè)主主體、社區(qū)巡查,網(wǎng)格管理的方式,建立危房住宅的檔案,開(kāi)展日常巡查,確保房屋安全。房屋安全預(yù)警管理,是對(duì)超出使用年限的房屋、超出修繕周期的房屋、墻體有嚴(yán)重破損的房屋,在房屋墻角、屋頂?shù)葏^(qū)域安裝傳感器,當(dāng)房屋出現(xiàn)下層或者傾斜跡象的時(shí)候,將監(jiān)測(cè)信息返回平臺(tái),并報(bào)警。房屋安全綜合評(píng)價(jià)是根據(jù)房屋使用安全評(píng)價(jià)模型或者評(píng)價(jià)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋安全進(jìn)行評(píng)價(jià)的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)房管部門(mén)的新需求,結(jié)合新興的傾斜攝影測(cè)量技術(shù),構(gòu)建了城市三維房屋住宅管理平臺(tái),通過(guò)城市三維實(shí)景模型與房屋住宅數(shù)據(jù)的掛接,真正為房屋住宅管理來(lái)了新的數(shù)據(jù)支撐,切實(shí)解決了原有二維平臺(tái)展示不足的缺點(diǎn)。但是,平臺(tái)還是存在明顯不足,由于航飛拍攝死角和河流的建模上常出現(xiàn)變形和空洞,雖經(jīng)過(guò)了模型的修飾,但是城市三維實(shí)景模型放大后,局部細(xì)節(jié)展示效果不佳。當(dāng)然,隨著技術(shù)的進(jìn)步,這些問(wèn)題都會(huì)得以解決,這種建模和展示方式擁有巨大的前景。